岩土工程用玄武岩纤维复合材料耐久性研究

2024-05-07杨宇腾

粘接 2024年3期

摘要：为了提高长期使用条件下玄武岩纤维复合材料的耐久性，针对岩土工程用玄武岩纤维复合材料展开研究。以双向编织的玄武岩纤维板为实验材料，采用非破坏性试件的实验方法，测试了玄武岩纤维板在紫外辐照下的耐久性。实验结果显示，在紫外线的辐照下，玄武岩纤维板试件的表面发黄，而且光泽度逐渐消失，导致其质量明显下降；试件在纵向拉伸条件下的破坏模式仍然保持脆性破坏，紫外老化对荷载与位移关系、应力与应变关系几乎没有任何影响；紫外老化初期，试件的力学性能逐渐提高，以非破坏性试件的弹性模量作为实验的评价指标，能够有效降低实验误差。

关键词：岩土工程；复合材料；玄武岩纤维；力学性能；紫外老化

中图分类号：TQ343+.4;TU52

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0069-04

Durability study of basalt fiber composite materials for geotechnical engineering

YANG Yuteng

（Changan Umiversity， Xian 710064，China

）

Abstract：In order to improve the durability of basalt fiber composite materials under long term use conditions，basalt fiber composites for geotechnical engineering were studied.Taking bidirectional woven basalt fiberboard as the experimental material，the durability of basalt fiberboard under ultraviolet irradiation was tested by using the experimental method of non-destructive specimens.The results showed that under the irradiation of ultraviolet rays，the surface of basalt fiber board samples turned yellow，and the gloss gradually disappeared，which led to the obvious decline of its quality.The failure mode of the specimen remained brittle under longitudinal tension，and ultraviolet aging had little effect on the relationship between load and displacement and the relationship between stress and strain.At the initial stage of ultraviolet aging，the mechanical properties of the specimens were gradually improved.Taking the elastic modulus of non destructive specimens as the evaluation index of the experiment could effectively reduce the experimental error.

Key words：geotechnical engineering;composite materials;basalt fiber;mechanical properties;ultraviolet aging

玄武岩纤维板（BFRP）凭借着较轻的质量、更高的强度、良好的电绝缘和线弹性等特点，在我国岩土工程、国防和航空等多个行业得到了大量的使用［1］。目前，有关BFRP在岩土工程中的各方面性能研究较少，少数的一些研究还停留在实验数据上，只是进行了定性分析，缺少对BFRP性能的定量分析。通过对玄武岩纤维增强材料的抵抗拉伸强度、耐候性和抗剪切强度3个方面的测试，对其进行试验和理论计算［2］，可以很好地解决我国岩土工程中出现的诸如钢筋锈蚀等问题。以玄武岩纤维为原料，利用硅烷偶联剂KH550对其进行表面接枝，获得一种新型的改性材料W-BF，将其与高密度聚乙烯在熔融状态下复合，得到一种HDPE/W-BF，并对其硬度耐刮擦性能和显微形态进行表征［3］。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验过程中，选用双向编织的玄武岩纤维板，该材料的体积分数为60%，其厚度为0.118 mm，基本参数如表1所示。

1.2 制作试件

對于玄武岩纤维板的老化测试，通过破坏性试件与非破坏性试件的对比，在测试破坏性试件时，如果试件出现断裂式破坏，就要停止实验［4］。在测试非破坏性试件时，以试件在相同时间点的弹性模量为参照对象，直到试件处于弹性阶段，才可以立即停止实验［5］。在GB 1446—2005《纤维增强塑料性能试验方法总则》下，一共设计34块玄武岩纤维板的老化试件，表2给出了各组试件的参数。

在相关规定下，制作玄武岩纤维板试件时，将试件的总长度和宽度设置为210 mm和12 mm，用于测试的区段长度为50 mm，为了避免夹具侧玄武岩纤维板在应力集中的情况下出现破坏，需要在2个端点处粘贴一层质地较硬的铝片［6-7］，加强片的长、宽和厚度分别为40、12 和2 mm，图1给出了玄武岩纤维板试件的具体设计尺寸。

将制作完成的玄武岩纤维板试件放在23 ℃、45%湿度的标准环境中［8］，经过一周的固化之后，将其置于紫外老化箱中，測试试件的老化性能。

1.3 实验环境

实验用紫外老化箱的波长在320～410 nm，在0.72 W/m2的辐照度下，将老化箱的温度和湿度设置为55 ℃和50%。在老化箱的两边各安装4根发射紫外光的灯管［9］，每个紫外灯的额定输出功率为40 W；老化箱中含有一个发出紫外光线的辐照传感器，它是一种高精度的亮度控制系统，能够按照试验的要求对光照强度进行控制，从而达到对光照强度的自动化维修和持续的监控，同时还可以对灯管的能量进行调整［10］。

在整个老化实验中，所有的样品都是接受单面紫外光照射，试件与灯管的最近距离大约是40 mm，并且为了避免试件在进行力学性能实验时，由于受到紫外线辐射而导致试件的末端受到损伤或者滑动［11］，因此，被暴露的部分只是试件的一个有效测试截面。同时还要保证玄武岩纤维板不会互相重叠，影响辐射效果，以保证实验的正确性。

根据以上设计，从老化箱中取出玄武岩纤维板试件，在室温下静置2 d，消除试件表面的残余应力之后，测试试件的力学性能。

1.4 实验方法

实验用电子万能试验机的压力为150 kN，并搭配电子拉伸仪，对玄武岩纤维板的破坏性试件和非破坏性试件进行性能测试。对所有试件进行标记和编号，在测试区段内，任意选取3个位置，分别测试各个位置的试件宽度和厚度并取平均值。

在进行测试之前，首先在试件中央划出一个50 mm的区域，以方便对电子拉伸仪进行夹紧和定位［12］。将被测试件固定在与上、下两个固定装置的中心线大致相同的位置；用手握住电子拉伸仪，并将计算机的初值调为0，然后才能启动拉伸。加载过程中设置一个以2 mm/min的移动加载；在试验过程中，对试件进行了持续的加载，直到试件出现失效破坏，测试了其抵抗拉伸的强度、弹性模量、断裂伸长率以及最大的失效破坏荷载，并对其破坏形态进行了分析。玄武岩纤维板的非破坏性试件测试，是以试件处于弹塑阶段为标准［13］，在不对其产生破坏的情况下，仅对其进行加载，直至试件恢复到弹塑性后，测试试件的弹性模量，即可终止其加载。

2 结果分析

2.1 物理性质变化

将玄武岩纤维板试件放进老化箱中，经过不同时间的老化，得到破坏性试件各个阶段的表面特性变化情况，如图2所示。

由图2可知，玄武岩纤维板试件经过不同时间的老化之后，表面的物理特性有显著改变。未经过老化处理时，试件的表面是光滑的，呈亮黑色，没有出现任何的粉末化现象，并且没有出现明显的凹陷、点蚀和微裂缝，也没有出现起泡、发泡的现象。试件经过360 h的老化后，其表面光泽略有下降，呈黑色，两边有轻微的发黄，这是因为表层的树脂陈旧造成的，在被辐射的纤维板的交界处，出现了一些不明显的白色斑点。720 h老化后，试件的表面变成了暗点，光泽度越来越差，最终变成了暗黑色，两端发黄的更加严重，在纤维丝束搭接处出现了零星的、明显的白斑。经过1 440 h的处理，纤维片材两边的发黄情况显著恶化，而在丝束线连接部位出现的白色斑点更为显著。在2 880 h之后，纤维片的表面光泽继续下降，色泽越来越深，白色斑点越来越多，越来越显著；在持续了5 760 h之后，以上的现象变得更加显著，但并没有出现粉末化、轻微裂纹、起泡甚至发酵等现象。

玄武岩纤维板试件在不同老化阶段的质量变化情况如表3所示。

由表3可知，对破坏性试件而言，减少率是老化后的质量减少量与老化前的质量之比，对于非破坏性试件而言，减少量是老化后质量与老化0 h质量的差值与0 h质量之比。从表3的结果还可以看出，对于破坏性试件而言，经过紫外老化之后，其质量有所减少，对于非破坏性试件而言，随着老化时间的增加，质量损失率越来越高。

2.2 力学性质变化

玄武岩纤维板的破坏性试件和非破坏性试件经过不同时间的紫外线辐照之后，破坏性试件应力与应变等的关系曲线如图3所示，非破坏性试件荷载与位移等的关系曲线如图4所示。

由图3可知，玄武岩纤维破坏性试件在老化前后的应力与应变关系、荷载与位移关系没有明显的差异，始终是线性变化。根据拉伸实验的现象发现，紫外线辐照对试件的破坏形式没有明显影响，主要以脆断为主。

由图4可知，玄武岩纤维非破坏性试件经过紫外老化之后，弹性没有发生显著变化，也就是紫外照射不会改变玄武岩纤维板的弹性。

在不同的老化时间下，玄武岩纤维板试件的力学性能如图5所示。

由图5可知，玄武岩纤维板试件在不同条件下的基本力学性能随时间的变化而变化，但总体表现出一个先上升后下降的变化趋势，最后基本趋于稳定。在紫外老化早期，试件各项力学性能不减反增。对于破坏性试件而言，其在拉伸状态下的强度、断裂时的延伸率以及弹性模量3个指标中的下降幅度分别为31.7%、36.58%和7.04%。而对于非破坏性试件而言，其弹性模量的下降幅度为6.68%。通过对图5（c）的分析可知，在紫外线的照射下，玄武岩纤维板的弹性模量呈现出比较平稳的波动幅度。但在弹性模量测试中，破坏性试件与非破坏性试件仍然存在差异，最大的下降幅度分别为6.23%和5.97%。这是因为实验数据的来源不同，导致结果存在一定的波动性和分散性，因此可以利用非破坏性试件的弹性模量对玄武岩纤维的耐久性能进行评价，这也证明了这种评价方式更加科学合理。

3 结语

提出了岩土工程用玄武岩纤维复合材料研究及性能分析，结果显示，紫外辐照降低了玄武岩纤维板的质量，但是力学性能几乎没有受到任何影响。研究虽然取得一定成果，但是还存在很多需要改进的地方，在今后的研究中，希望可以分析温度条件对玄武岩纤维复合材料的疲劳性能影响情况，并从微观角度构建材料寿命的预测模型，准确预测出玄武岩纤维复合材料的疲劳寿命。

【参考文献】

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